电容触摸技术在MCU的应用

电容触摸技术广泛应用于从智能手机到冰箱和汽车的电子产品中。在许多应用中，电容式触摸传感器向专用控制器芯片提供输入。MCU直接参与当控制器集成为一个外围单片机上死去。

无论MCU是否具有集成在芯片上的传感器/控制器电路，如果触摸传感器信息来自专用设备，MCU必须处理由电容触摸输入产生的若干问题，以达到令人满意的用户体验。这些包括延迟(对用户的及时响应)、准确性和能耗。在电池供电的设备中，能量消耗尤为重要。

MCU供应商提供各种各样的电容触摸解决方案，从专用外设到超低功耗接口，以及电池供电应用的电容式触摸传感器。然而，在审查解决方案之前，对电容触摸技术的快速回顾应该是有帮助的。

电容式触摸基础

传感器一般呈现特殊的设计问题，电容式触摸传感器没有什么不同。复杂度很大程度上是由于传感器电场的分布特性使得“集总元件”近似的行为不准确和误导。为了解决这些问题，半导体公司已经发表了大量的应用笔记，基本上提供了规则，如果遵循的话，将导致一个成功的设计。本文将讨论基本的考虑因素;了解一些基本知识对于使设计从正确的方向开始是必要的。

电容式触摸传感器可以用简单的空间参数大致分类：

零维传感器响应单个接触点。一个简单的按钮是最常见的实现。

一维传感器可以检测手指沿一个直线轴的运动。滑块和轮子是最流行的实现。

二维传感器可以检测手指沿两个轴的运动。触摸屏和触摸板是很好的例子。

这项技术相当复杂，但与以往一样，设计最终用户系统的第一个重要步骤是选择与应用程序相对应的传感器类型。

一、二维传感器最基本的电容触摸技术取决于表面电容。面板一侧涂有导电材料，另一面为绝缘材料。一个小的电压被施加到导电层，以创建一个弱电场。当导电手指或触笔触到表面时，电容器就会瞬间产生，从而改变电场。

传感器的控制器可以通过测量面板四个角的电容变化间接地计算触摸的位置。电容变化越大，接触就越靠近那个角。表面电容技术分辨率很低，容易受到电容耦合引起的误差。由于这些原因，它通常用于工业控制和亭。

投射电容式触摸

投影电容触摸(PCT)技术比只使用表面电容更精确、更灵活。导电层被蚀刻在X-Y网格。PCT传感器技术有两种：自电容和互电容。

在自电容传感的X-Y网格的行和列的独立操作。位置取决于手指在每一列或行上的电容负荷的相对位置。一个强烈的信号，是创建但自电容传感不能准确地解决多个手指，会产生“鬼影”，“或放错位置传感。

互电容式传感器在每一行和每一列的交叉处都有一个电容器。当电压施加到行或列时，即使在传感器表面上带一根手指或导电笔，也会改变局部电场并降低互电容。通过测量网格上各个点的电容变化，可以非常准确地确定触摸位置。互电容支持多点触摸操作，也就是说多个手指的位置可以在同一时间精确跟踪。

PCT是一种流行的用于销售点设备的选项，它需要记录签名的能力。然而，PCT性能可以通过面板上的污迹表面导电的负面影响。粘在面板上的灰尘也可能是个问题。

MCU厂商设计了产品族，精确地处理了刚刚讨论过的传感器类型。例如，Atmel开发了用于按钮、滑块和车轮的传感器控制器家族。该产品可作为IP集成在一个Atmel公司的AVR或Atmel的ARM MCU内核使用公司QTouch库或应用程序特定的设备。Qtouch家族是用于自电容传感器的设计。它的Qmatrix传感器控制器用于与互电容传感器。Atmel公司为两个家庭提供了评估板。

德克萨斯仪器MSP430的价值线g2xx2/3单片机的一些配置是专为电容式触摸应用。这些MCU包括电容式触摸感的iOS允许开发人员无需外部元件与电容式触控板的直接接口。对于更复杂的应用程序，该公司的msp430f51x2设备，如msp430f5152idar，包括高性能定时器提供4 ns的分辨率，使高精度触摸传感。

许多IC公司都有电容触摸的产品线。它们包括但不限于Atmel、Cypress半导体、飞思卡尔半导体芯片技术，恩智浦半导体，Silicon Labs、德克萨斯文书。

设计考虑

电容式触摸应用程序需要设计者考虑的不仅仅是单片机。在电池供电的电力消耗是很重要的，而这段时间(潜伏期)之间的瞬间按下按钮，从系统的反应也非常重要。

其他因素也必须根据应用程序的用例来考虑。这些措施包括环境光灵敏度(屏幕眩光)，成本，耐用性和最小/最大尺寸。所有这些标准的探索已经超出了本文的范围，但2014分析由明尼苏达州立大学发表在由程序(asse-nwmsc2014-1c1)包括一个表(图1)，将有助于设计师。电阻触摸技术也包含在分析中，因为它仍在广泛使用，虽然一般不象电容触摸那样有能力。这些技术的排名是0到5，其中5是“最好”，0是“最差”的表现。PCT有最好的整体评级，但表面电容技术应考虑对成本敏感的应用和大屏幕的产品。

特征                                 电阻(线)               表面电容式                    投射电容式

环境光灵敏度                      5 -                            5                                  5

校准稳定性                         2 -                             2                                  5

成本                                    5                               3                                  2

耐久性                                1                               4                                   5

多点触摸                            0                                0                                   5

耐候性                                2                                3                                   5

最佳适用尺寸                 2 - 26                   “12”- 26                    “2”- 10“

手机/掌上电脑                   5                                0                                     5

图1：三种流行触摸技术的比较特征。

能源消费

当一个外部传感器接口在单片机的CAN不浪费能源，重要的互动或交互––漆之间的传感器和微处理器。具有讽刺意味的是，因为我们今天的问题是关于单片机的低功耗操作模式有多个“备用”。“深睡眠”。每一步快，通常伴随着低功率操作的开销是由更多的时间需要从功率模式唤醒。

当处理一个触摸传感器的输入，一个主要目标是实现及时响应，但这可能不是可以在较低的睡眠模式。问题是，如果exacerbated已唤醒MCU实现如此经常，及时响应，它实际上是发射功率的消费更多的是在较高的活动状态。

硅实验室方法节能是其低能量传感器接口(lesense)，它已被设计，以回应传感器输入到单片机的一点是在深睡眠模式。lesense是集成到公司的efm32系列32位ARM微控制器为基础的。在电池供电的触摸应用程序，小壁虎(家庭提供最好的选择。

lesense DAC的模拟电路包括一comparators，音序器模块，和一个运行在32千赫。这是在音序器控制引脚连接到comparators和是否DAC是提供一个更准确的比较参考。比较器的输出可以组合数和CPU一样，如果一组只读awakes预定条件已经发生，如触摸屏在一个水龙头一一定的时间窗口。这是可能的在单片机仍然在深睡眠模式。

在lesense独立勋章，因为它是单片机与外设配置和其他公司，特别的外围反射系统(PRS)。这使得它可以为设计者创建状态机结构的外部事件的监测没有CPU的干预。

在一个电容感应，它是能够测量在一个案例是更重要的比电容的变化制作的绝对测量。监测这些变化，通常由设计师定位之间的电容和地面的一部分。义销销在RC振荡器电路。在这种结构，振荡频率取决于电容的银行目前在销的镰刀。As a result，触摸开关可以实现通过简单的引脚，其中直接触摸垫的镰刀。没有其他外部元件是必要的。

在简单的机器运行状态是显示在图2。的差异之间的上层和较低的部分是在不同的模拟输入的数字是，产生不同的结果，这在lesense状态机，转向，单片机进入睡眠模式(在叶子上)或“IT(下)。

图像lesense PRS和硅实验室

图2：一个电容感应触摸开关的使用和简单的lesense PRS。

结论

触摸敏感的输入成为一个主流技术在A A宽谱应用到智能手机和平板电脑，从简单的按钮。一个电容触摸技术已成为占主导地位，因为其精度，耐久性和其他性能特征。在许多应用程序，与单片机接口个电容触摸传感器，它经常挑战设计师提供友好的人机界面匹配和管理有效的能源消费。没有一刀切的解决方案在个电容触摸应用程序，但有一系列的MCU供应商提供的解决方案和一个是要适合任何应用程序。